改性膨潤土與改性鋰皂石復配對AKD的乳化及乳液對BCTMP的施膠性能

劉宗印，劉溫霞

（山東輕工業學院 制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東 濟南 250353）

改性膨潤土與改性鋰皂石復配對AKD的乳化及乳液對BCTMP的施膠性能

劉宗印，劉溫霞

（山東輕工業學院 制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東 濟南 250353）

探討了正丁胺對鋰皂石的改性及與氟化鈉改性膨潤土進行復配對烷基烯酮二聚體（AKD）的乳化與穩定作用，同時研究了所制備的AKD乳液的漿內施膠性能。結果表明，當改性膨潤土用量為4%（相對于AKD質量，下同）、正丁胺用量為6%（相對于鋰皂石質量，下同）、鋰皂石用量為2.5%（相對于AKD質量，下同）時，可將AKD乳化成水包油型Pickering乳液，并且所制備的乳液穩定性和施膠性能較好。

正丁胺；鋰皂石；膨潤土；乳液；施膠性能

烷基烯酮二聚體（AKD）作為一種中堿性反應型施膠劑，因具有施膠效率高、用量少（僅占絕干漿的0.2%～0.5%）[1]、不易水解、便于運輸和貯存等優點而廣泛用于文化用紙、箱板紙和高檔瓦楞紙等包裝用紙的生產中，特別是在液體包裝紙的施膠中，對控制紙頁的滲透特別有效。由于AKD不溶于水，需加以乳化并以乳液的形式加入到漿料中。目前來說，AKD的乳化往往采用低黏度、高取代度的陽離子淀粉作為乳化劑和穩定劑，其用量約為AKD質量的18%～22%，另外添加少量的木素磺酸鹽或萘磺酸鹽也有利于AKD的乳化[2]。

早在1907年，Pickering等人就發現，超細固體顆粒在兩相界面的吸附可以起到穩定乳液的作用[3]。和傳統的乳液相比，固體顆粒穩定的乳液有很多優點，例如減少乳化劑的用量，用固體顆粒代替表面活性劑，減少了表面活性劑對環境的污染，降低了泡沫問題[4]，更容易制備具有較高穩定性和較高連續相體積分數的乳液[5]。

本實驗利用層狀無機固體顆粒膨潤土和鋰皂石復配代替淀粉和表面活性劑對AKD進行乳化，制備穩定的AKD Pickering乳液，以避免在AKD乳化過程中添加表面活性劑和由此產生對AKD施膠的不利影響，簡化AKD的乳化工藝，提高AKD的施膠性能[6]。

1 實驗

1.1 原料和主要儀器

原料：膨潤土原土取自山東濰坊的鈣基膨潤土；實驗所用鋰皂石為凝膠級別的商品鋰皂石，圓盤狀，厚度約為 1 nm，直徑 25～30 nm，由 Rockwood Additives Ltd提供；AKD為商品原粉，常溫下為淡黃色蠟片狀；陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），相對分子質量800萬，由汽巴精化股份有限公司提供；楊木漂白化學熱磨機械漿（BCTMP）取自山東華泰集團，打漿度35°SR；實驗用水為去離子水；實驗所用其他化學藥品皆為試劑級。

主要儀器：FM 200高剪切分散乳化機，上海弗魯克流體機械制造有限公司；BK 2000/3000系列生物顯微鏡，重慶光電儀器有限公司；DDS-11A型電導率儀，上海鵬順科學儀器有限公司。

1.2 鈉基膨潤土、改性鋰皂石及AKD乳液的制備

鈉基膨潤土利用氟化鈉（NaF）通過對鈣基膨潤土原土進行改性來制備[7]：將一定量的鈣基膨潤土溶解于1 L去離子水中，然后將該濁液在室溫下充分攪拌24 h，接著將該濁液在3 000 r/min下離心10 min，將離心所得上層清液和最下層顏色較深的雜質除去，保留中間一層，然后測其固含量后加入一定量的去離子水，并加入一定比列的NaF，使得NaF用量為膨潤土質量的4%，之后將改性溶液在室溫下攪拌24 h，再將改性后的溶液在3 000 r/min下離心10 min，以除去殘留的Na+和F-，最后測定鈉化膨潤土的固含量以備乳化之用。

稱取20 g鋰皂石，然后將其逐漸加入溫度為45～55℃的溫水中，并在200 r/min的攪拌速度下攪拌30 min，使其充分潤脹，最后全部轉移至1 000 mL的容量瓶中至少靜置48 h，定容備用。

稱取10 g AKD蠟片，置于溫度為65℃的水浴鍋中熔融備用，稱取一定量的改性鋰皂石分散液于燒杯中，并用正丁胺改性，用1%的鹽酸溶液調節pH為6，然后加入一定量的改性膨潤土和去離子水，將該混合液用FLUKO-FM 200型高剪切分散乳化機于3 000 r/min的轉速下攪拌1 min，制得固體微粒懸浮液，并將其作為水相置于溫度為75℃的水浴鍋中恒溫，最后用高剪切分散乳化機在一定轉速下乳化若干分鐘，制得一定質量分數的AKD乳液。

1.3 AKD乳液的表征

正丁胺改性鋰皂石與鈉基膨潤土復配對AKD的乳化效果用乳化結束并靜置24 h后AKD乳液相的體積分數來表征；AKD膠體粒子的形態和粒徑通過BK 2000/BK 3000系列生物顯微鏡測定；乳液電導率由實驗室DDS-11A型電導率儀測定。

1.4 紙張的抄造和施膠度的檢測

將制備的AKD乳液快速冷卻并用去離子水稀釋至質量分數0.2%后用于漿內施膠。將漂白漿料配成質量分數為1%的漿料，用稀氫氧化鈉溶液將漿料pH調節至7.5～8.5，再依次加入一定量的AKD乳液和質量分數為0.03%（對絕干漿質量）的陽離子聚丙烯酰胺，攪拌2 min后抄造手抄片，手抄片的定量為60 g/m2。手抄片在105℃下干燥30 min，紙張施膠度采用液體滲透法按照GB/T 5405—2002測定。

2 結果與討論

實驗發現，單獨使用NaF改性的膨潤土并不能乳化AKD，而單獨使用正丁胺改性鋰皂石雖然能乳化AKD，但乳液穩定性卻不是很好，那我們設想用改性膨潤土和改性鋰皂石復配對AKD進行乳化，并探究其對AKD的乳化規律。本實驗探究了正丁胺用量（相對鋰皂石）、鋰皂石用量（相對AKD油相）、改性膨潤土用量和鋰皂石/膨潤土復配比例對AKD乳化及其乳液穩定性的影響。

2.1 鈉基膨潤土用量對AKD乳液性質的影響

實驗將初始AKD油相質量分數固定為20%，鋰皂石用量為2%，正丁胺用量為10%，水相/油相乳化溫度為75℃/65℃，乳化攪拌速度為11 000 r/min，乳化時間固定為3 min，改變膨潤土的加入量，探究膨潤土的用量對AKD乳化及其乳液穩定性的影響。圖1為膨潤土用量對乳液電導率和乳液相體積分數的影響。

由圖1可以看出，在固定鋰皂石用量的情況下，隨著膨潤土用量的增加，乳液相體積分數逐漸增大。在膨潤土用量為4%的情況下，在乳液放置24 h后乳液相體積分數已經達到96.7%；而膨潤土用量在超過5%之后，乳液相體積分數已經達到100%，這說明增加膨潤土的用量對增加乳液的穩定性是有利的。由乳液電導率的變化情況可以看出，乳液電導率隨著膨潤土用量的增加有逐漸增加的趨勢，并且當膨潤土用量小于6%時，乳液電導率呈近似線性關系變化；在用量超過6%時，乳液電導率增加將變得相對很緩慢。在這些用量下，取1滴上層乳液分散于水中，可以看出乳液在水中很快分散開來，在熔融的AKD中卻不能很好地分散，結合圖1的乳液電導率（＞500 μS/cm），同樣可以看出所制備的乳液是O/W型乳液。

圖1 膨潤土用量對AKD乳液電導率和乳液相體積分數的影響

圖2為膨潤土用量對乳液平均粒徑的影響。

圖2 膨潤土用量對AKD乳液平均粒徑的影響

由圖2可以看出，隨著膨潤土用量的增加，乳液粒徑逐漸減小，在膨潤土用量為4%時，乳液粒徑最小；然而再繼續增加膨潤土用量時，乳液粒徑卻又逐漸增加。隨著膨潤土用量的增加，有越來越多的膨潤土顆粒吸附在油水界面上，即便如此，吸附在油水界面上的固體顆粒也會達到平衡；在吸附達到平衡后，增加的膨潤土將會存在于連續相中。這樣連續相中的膨潤土量會隨著膨潤土用量的增加也會增加。存在于連續相中的膨潤土或者鋰皂石也會因為相互間的靜電排斥作用穩定存在，相互交織的固體顆粒也會形成網絡狀的結構，這樣顯著增加乳液的黏度；乳液黏度的增加對乳液的穩定性的提高也起到了有益的作用；同樣存在于水相中的鋰皂石和膨潤土表面會發生羥基化，羥基化的固體顆粒會增加連續相的電導率，這些結果和圖1所呈現的結果是相吻合的。

結合圖1和圖2，膨潤土的最佳用量為4%。

2.2 正丁胺用量對AKD乳液性質的影響

實驗發現，使用未改性的鋰皂石很難乳化AKD，這可能是由于鋰皂石自身親水性太強的緣故。本實驗通過用正丁胺改性鋰皂石來乳化AKD，探究正丁胺用量對乳液穩定性的影響。圖3為AKD分散液中各相隨正丁胺用量的變化情況。實驗中膨潤土的用量為4%，鋰皂石的用量為2%，乳化時間為3 min，油水質量比為1∶4，AKD/水相溫度為65℃/75℃。其中，正丁胺用量為相對于鋰皂石的質量百分比。

圖3 AKD分散液各相隨正丁胺用量的變化情況

由圖3可以看出，在正丁胺用量較低的情況下（＜4%），AKD在乳化冷卻后形成結塊區“漂浮”于乳液上方，此時的AKD乳液并不能完全被乳化；而當正丁胺用量較高時（≥8%），AKD經乳化冷卻靜置24 h后，乳液中有水相析出，在此用量下的AKD乳液也并不穩定；當正丁胺用量為4%～8%時，AKD乳液表現出一定的穩定性，乳液中無結塊區和水析出。綜合正丁胺用量對乳液穩定性及乳液粒徑的影響，正丁胺的最佳用量為6%。

2.3 鋰皂石用量對AKD乳液性質的影響

基于上面優化出的膨潤土和正丁胺的最佳用量，我們又探討了改變鋰皂石用量對AKD乳化性能的影響。實驗時固定AKD乳化的條件為：膨潤土用量為4%，正丁胺用量分別為6%和8%，油水質量比為 1∶3，鹽酸調水相體系 pH為6，乳化轉速和乳化時間分別為 11 000 r/min和3 min，AKD/水相溫度為65℃/75℃。改變鋰皂石用量對AKD進行乳化，進而制備穩定的AKD乳液。圖4為鋰皂石用量對乳液電導率的影響。

圖4 鋰皂石用量對乳液電導率的影響

由圖4可以看出，在正丁胺用量分別為6%和8%時，增加鋰皂石的用量均能增加所得AKD乳液的電導率。結合乳液電導率的大小及乳液在水中的分散性，我們可以得出所制備的乳液為水包油型乳液。這也暗示了隨著鋰皂石用量的增加，連續相中固體顆粒的增多，連續相中的固體顆粒表面發生羥基化導致了乳液電導率的增加。

圖5為膨潤土和鋰皂石共同穩定的AKD乳液在固定膨潤土用量下乳液平均粒徑隨鋰皂石用量的變化情況。

圖5 鋰皂石用量對乳液平均粒徑的影響

由圖5可以看出，在正丁胺用量分別為6%和8%時，乳液平均粒徑的變化趨勢是很相近的。當正丁胺用量為6%時，在低鋰皂石用量下（用量小于2%），AKD乳液的平均粒徑是隨著鋰皂石用量的增加而增加的。這是因為在原先加入膨潤土的基礎上，在較低的鋰皂石用量下，鋰皂石和鋰皂石間、膨潤土和膨潤土間或者鋰皂石和膨潤土間發生了某種程度的絮聚，致使起穩定作用的AKD乳化劑粒徑變大而引發穩定的AKD乳液粒徑變大。再繼續增加鋰皂石用量時，乳液平均粒徑在鋰皂石用量為2.5%時最小。這說明鋰皂石在此用量下，固體顆粒間發生的絮凝程度已經最大化，絮凝或者團聚的固體顆粒并沒有起到穩定乳液的作用，起到主要穩定作用的是未發生絮凝或者發生絮凝程度較低的固體顆粒。相對于正丁胺用量為6%時，在正丁胺用量為8%時，乳液平均粒徑所呈現的情形相類似。只是在乳液粒徑出現較小值時鋰皂石用量減少了，這是因為在較高的正丁胺用量下，鋰皂石的潤濕性能得到了更好的調節，親水性減弱，疏水性得到了一定程度的增強，對乳液的穩定性增強，這就使得出現同等情形下，鋰皂石用量較小。由于在正丁胺用量為6%、鋰皂石用量小于1.5%時，AKD分散液中有油相析出，此時的乳液并不是十分穩定的，此狀態下鋰皂石最佳用量為2.5%；正丁胺用量為8%、鋰皂石用量小于1.0%時，AKD分散液中同樣有油相析出，此時的AKD乳液也不是很穩定，此狀態下的鋰皂石最佳用量為2.0%。

鑒于上述實驗，從乳液穩定性和正丁胺用量對乳液穩定性考慮，我們得出正丁胺和鋰皂石最佳用量分別為6%和2.5%。

2.4 改性膨潤土和鋰皂石復配比例對AKD乳液的影響

在之前的研究中我們得出，NaF改性膨潤土、正丁胺和鋰皂石的最佳用量分別為4%、6%和2.5%，下面將繼續探究膨潤土和鋰皂石復配比例對AKD乳液的影響。實驗中油水質量比固定為1∶4，乳化溫度、乳化時間和乳化轉速分別為65℃/75℃、3 min和11 000 r/min，2種固體微粒總量為6%，根據優化出來的鋰皂石與膨潤土用量之比為2.5%/4%，也就是二者用量之比為 0.625∶1，故本實驗設定鋰皂石與膨潤土用量之比分別為0∶1、0.2∶1、0.4∶1、0.6∶1、0.8∶1、1.0∶1 和 1.2∶1。表1為鋰皂石/膨潤土復配比例對AKD乳液電導率和乳液平均粒徑的影響。

從表1可以看到，乳液電導率隨鋰皂石/膨潤土的增大逐漸增大，并且乳液電導率均較大，乳液在水中的分散性均較好，此時的乳液均依然是O/W型乳液。而乳液平均粒徑的變化卻隨著復配比例的增大不顯得那么單一，隨著復配比例的增大，即鋰皂石用量的增加，膨潤土用量的減少，乳液平均粒徑的變化趨勢和圖5乳液在正丁胺用量為6%時的乳液變化趨勢是一致的，卻和圖2同等膨潤土用量下的乳液粒徑變化趨勢是相違背的，這就說明了此時主導乳液粒徑變化的是鋰皂石的用量而非膨潤土。而在鋰皂石/膨潤土比例為0.6時乳液粒徑出現了一極小值，而此時的鋰皂石用量為2.25%，膨潤土的用量為3.75%，這也和實驗2.1、2.3所得結果（鋰皂石最佳用量為2.5%，膨潤土最佳用量4%）是很吻合的。此時的乳液穩定性較好，并且乳液粒徑相對較小，認為鋰皂石/膨潤土的最佳復配比例為0.6。

表1 鋰皂石與膨潤土用量復配比例對AKD乳液性質的影響

2.5 AKD乳液漿內施膠效果分析

由前面所做實驗得出，利用鈉基膨潤土和正丁胺改性鋰皂石復配可以很好地乳化AKD并可以制備穩定的AKD乳液，我們將制備的AKD乳液用于漿內施膠，以探究AKD乳液的施膠性能。圖6是手抄片的施膠度隨AKD用量的變化關系。其中，AKD用量為AKD與絕干漿的質量比。鈉基膨潤土、鋰皂石和正丁胺的用量分別為4%AKD的質量，2.5%AKD的質量和6%鋰皂石的質量，乳化時間、乳化轉速和油水兩相溫度分別為 3 min、6 000 r/min和 65℃/75℃，AKD初始質量分數為20%，實驗中選用單元助留體系CPAM，CPAM的用量為0.03%絕干漿。

由圖6可以看出，紙張的施膠度隨著AKD乳液用量的增加逐漸增加；當AKD乳液用量為0.1%時，紙張的施膠度較小，大約為14 s；而繼續增大AKD乳液用量時，紙張的施膠度呈線性增加；當AKD用量為0.4%時，紙張的施膠度已達到100 s。總體看來，鈉基膨潤土和鋰皂石共同穩定的AKD乳液表現出較好的施膠效果。

圖6 抄造紙張的施膠度隨AKD乳液用量的變化關系

3 結論

通過優化條件制備穩定乳液的最佳條件為：鈉基膨潤土和鋰皂石對AKD的質量分數分別為4%和2.5%，正丁胺對鋰皂石疏水改性的質量分數為6%，鋰皂石/膨潤土二者最佳的質量比為0.6∶1，此用量下所制備的乳液較穩定，乳液粒徑較小。鋰皂石和膨潤土聯合穩定的AKD乳液用于漿內施膠時，紙張具有較高的施膠度。

［1］Kumar P，Gautam S K，Singh S P，et al.An experience with adaption of laboratory results to optimize AKD sizing parameters on a paper machine［J］.IPPTA，2008，20（3）：93-98.

［2］Savina A R，Conn S.Manufacture of cationic paper sizing ketene dimer emulsions：US，3223544［P］.1965-12-14.

［3］Ashby N P， Pickering emulsions stabilized by laponite clay particles［J］.Physical Chemistry Chemical Physics，2000，2（24）：5640-5646.

［4］劉華，劉溫霞.氫氧化鎂鋁/乙基纖維素對松香的乳化作用［J］.中國造紙學報，2008，23（1）：64-68.

［5］Robert Aveyard，Bernard P Binks，John H Clint.Emulsions stabilised solely by colloidal particles［J］.Advances in Colloid and Interface Science，2003（100/102）：503-546.

［6］于得海，劉溫霞.膨潤土與氫氧化鎂鋁聯合乳化ASA及其施膠性能［J］.中國造紙，2009，28（6）：27.

［7］董元鋒，劉溫霞.膨潤土改性及其對二次纖維的微粒留著作用［J］.中國造紙，2006，25（12）：19-22.

Effect of Modified Bentonite and Laponite Compound on AKD Emulsification and Sizing Performance of the AKD Emulsion on BCTMP

LIU Zong-yin，LIU Wen-xia
（Key Lab of Pulp and Paper Science&Technology of Ministry of Education，Shandong Polytechnic University，Ji’nan 250353，China）

The modification of laponite by n-butylamine as well as the emulsification and stabilization of the modified laponite together with NaF modified bentonite on AKD were investigated，meanwhile the sizing performance of the AKDemulsion on BCTMP was also studied in this paper.The results showed that when the dosages of modified bentonite，n-butylamine， laponite were 4wt%（based on AKD）， 6wt%（based on laponite）， and 2.5wt%（based on AKD），respectively， AKD Pickering emulsion（O/W type） with better emulsion stability and sizing performance was obtained.

n-butylamine； laponite； bentonite； emulsion； sizing performance

TS727+.2

A

1007-2225（2012）03-0009-06

2012-03-13（修回）

國家自然科學基金項目（20976099）；山東自然科學基金項目（ZR2010CM008）

劉宗印先生（1987-），在讀研究生；研究方向：造紙化學品與功能紙；E-mail：liuzongyin0622@126.com。

本文文獻格式：劉宗印，劉溫霞.改性膨潤土與改性鋰皂石復配對AKD的乳化及乳液對BCTMP的施膠性能[J].造紙化學品，2012，24（3）∶9-14.